ما هو جهاز استقبال RAKE في الاتصالات

خلال اعتماد مهام المزامنة في مستقبل “RAKE” لـ “WCDMA” تم تحديد ضرورة الحصول على متعدد المسارات عالي الدقة وخوارزميات التتبع للقنوات التي تعرض فترات تأخير صغيرة، أي مع تعدد مسارات متقاربة وتم اشتقاق العديد من الخوارزميات الجديدة والهياكل الناتجة لتأخير المسار وتتبع مراحل شانيل في مثل هذه البيئات.

ما هو جهاز استقبال RAKE

جهاز استقبال “RAKE”: هو مجرد راديو هدفه هو محاولة تقليل آثار بهتان الإشارة بسبب تعدد المسارات التي يعاني منها عندما يسافر، حيث في الواقع يمكن فهم مجموعة من أجهزة الراديو الفرعية “Rake Receiver” وكل منها متأخر قليلاً للسماح للمكونات الفردية للمسيرات المتعددة بضبطها بشكل صحيح.

• “WCDMA” هي اختصار لـ “Wideband Code Division Multiple Access”.

مبدأ عمل جهاز استقبال RAKE

يتم فك تشفير كل من المكونات في جهاز استقبال “RAKE” بشكل مستقل تماماً ولكن يتم دمجها في النهاية، كما يبدو الأمر كما لو أنّه تم أخذ الإشارة الأصلية ونقل نسخاً أخرى من الإشارة الأصلية إلى جهاز الاستقبال بسعات مختلفة وأوقات وصول مختلفة، حيث إذا كان المستقبل يعرف الاتساع ووقت وصول كل من هذه المكونات فمن الممكن تقدير القناة ممّا يسمح بإضافة المكونات.

كل من هذه الأجهزة اللاسلكية الفرعية “Rake Receiver” تسمى “Finger” وكل إصبع مسؤول عن جمع الطاقة من قطعة أو رمز، ولتسهيل بعض الفهم المكونات ففي نموذج يضم وصول مكونين للإشارة إلى الوحدة المتنقلة مع تأخر بينهما.

الفوائد الرئيسية لجهاز استقبال RAKE

الميزة الرئيسية لـ “Rake Receiver” هي أنّه يحسن “SNR” أو “Eb / No”، وبطبيعة الحال لوحظ هذا التحسن في البيئات الأكبر، والتي بها العديد من المسارات المتعددة مقارنة بالبيئات الخالية من العوائق وفي شكل مبسط ففي إشارة أفضل ممّا كان سيتم الحصول عليها بدون استخدام “Rake Receiver”.

• “SNR” هي اختصار لـ “Signal-to-noise ratio”.

• “Eb / No” هي اختصار لـ “energy per bit to noise power spectral density ratio”.

عيوب جهاز استقبال RAKE

• العيب الرئيسي لـ “Rake Receiver” ليس بالضرورة تقنياً وليس إشكالياً وهذا العيب هو في المقام الأول بسبب تكلفة أجهزة الاستقبال.

• عندما يتم العمل على إدخال جهاز استقبال راديو آخر يكون هناك حاجة إلى مساحة أكبر وزيادة أيضاً من التعقيد وبالتالي فإنّه يزيد التكاليف.

• كلما زاد عدد مكونات المسيرات المتعددة التي يدعمها المستقبل زادت تعقيد الخوارزمية، كما يتم القيام دائماً بعدم اعتماد صيغ المعنية لكن التعقيد يزداد أضعافاً مضاعفة تقريباً.

• وفي العالم الحقيقي فإنّ كمية المكونات متعددة المسارات التي تصل إلى جهاز الاستقبال كبيرة جداً ولا يوجد “حد”، وكل شيء سوف يعتمد على البيئة.

مبدأ عمل جهاز استقبال RAKE

في قناة راديو متنقلة تصل الموجات المنعكسة مع تأخيرات زمنية صغيرة نسبياً يحدث التداخل الذاتي حيث غالباً ما يُزعم أنّ طيف الانتشار المتسلسل المباشر “DS”، له خصائص معينة تجعله أقل عرضة للاستقبال متعدد المسارات، وعلى وجه الخصوص تسمح بنية مستقبل “RAKE” بالتجميع الأمثل للطاقة المتلقاة عبر مسارات مختلفة.

كما يتجنب إلغاء الموجة أي يتلاشى إذا وصلت المسارات المتأخرة مع اختلافات في الطور وتزن الإشارات الواردة بنسب إشارة إلى ضوضاء مختلفة، حيث يتكون جهاز استقبال “RAKE” من روابط متعددة، حيث يتم مضاعفة إشارة الاستقبال بإصدارات متغيرة زمنياً لتسلسل شفرة تم إنشاؤه محلياً، والقصد من ذلك هو فصل الإشارات بحيث يرى كل إصبع فقط الإشارات القادمة عبر مسار واحد أي قابل للحل.

كما يتم اختيار كود الانتشار بحيث يكون له قيمة ارتباط تلقائي صغيرة جداً لأي إزاحة زمنية غير صفرية وهذا يتجنب الحديث المتبادل بين الأصابع، ولكن من الناحية العملية فإنّ الوضع أقل مثالية وليس الارتباط التلقائي الدوري الكامل هو الذي يحدد الحديث المتبادل بين الإشارات بأصابع مختلفة، بل هو ارتباطان جزئيان بمساهمات من بتين أو رمزين متتاليين.

كما لقد تمت محاولة العثور على متواليات لها قيم ارتباط جزئية مُرضية لكنّ الحديث المتبادل بسبب الارتباطات الجزئية أي غير الدورية يظل أكثر صعوبة لتقليل تأثيرات الارتباطات الدورية، حيث تم تصميم جهاز استقبال “RAKE” للكشف على النحو الأمثل عن إشارة “DS-CDMA” المرسلة عبر قناة متعددة المسارات المشتتة وإنّه امتداد لمفهوم المرشح المطابق.

في مستقبل المرشح المطابق، ترتبط الإشارة بنسخة مولدة محلياً من شكل موجة الإشارة، ومع ذلك إذا تم تشويه الإشارة بواسطة القناة، يجب أن يربط جهاز الاستقبال الإشارة الواردة بنسخة من الإشارة المستقبلة المتوقعة بدلاً من نسخة من شكل الموجة المرسلة، وبالتالي يجب على المستقبل تقدير ملف تعريف التأخير للقناة وتكييف نسختها المولدة محلياً وفقاً لهذا التقدير.

في قناة متعددة المسارات تتداخل الانعكاسات المتأخرة مع الإشارة المباشرة، ومع ذلك يمكن الكشف عن إشارة “DS-CDMA”، والتي تعاني من تشتت متعدد المسارات بواسطة مستقبل “RAKE” ويجمع جهاز الاستقبال هذا على النحو الأمثل بين الإشارات المستلمة عبر مسارات متعددة.

• “DS-CDMA” هي اختصار لـ “Direct Sequence Code Division Multiple Access”.

• “DS” هي اختصار لـ “Direct Sequence”.

تطور عمل جهاز استقبال RAKE

في البيئة الراديوية تصل الإشارات المرسلة إلى المستقبل عبر مسار مباشر غير معاق أو عبر مسارات متعددة من انعكاس وانحراف وتناثر الأجسام المحيطة مثل المباني والأشجار، وتتشوه الإشارة في المستقبل بشكل كبير وتتلاشى بسبب الانتشار متعدد المسارات ممّا يؤدي إلى تداخل بين الرموز “ISI” كما تستخدم أنظمة الاتصالات المتنقلة ذات الطيف المنتشر مستقبلات “RAKE” لتقليل أخطاء الاتصال الناتجة عن تأثيرات تعدد المسيرات.

ومن الناحية المثالية يجب أن يتطابق عدد عوامل الارتباط في مستقبل “RAKE” مع عدد الإشارات متعددة المسارات، وتم تقدم اقتراحات تنفيذاً لـ “RAKE Receiver” وفحص أداء معدل الخطأ في البت “BER” متنوعاً في عدد المستخدمين وعامل الانتشار، وأصابع “RAKE” داخل الأنظمة القائمة على الوصول المتعدد بتقسيم الكود “CDMA” في إرسال قناة رايلي.

يعتمد نظام الاتصالات المتنقلة الخلوية من الجيل الثالث “UMTS” على الوصول المتعدد بتقسيم الشفرات بالتتابع المباشر “DS-CDMA”، كما يعتبر “DS-CDMA” مناسباً تماماً للإرسال عبر قناة الخبو متعدد المسيرات النموذجية، حيث يتيح استبانة عالية للمسيرات المتعددة المتميزة بسبب عرض النطاق الترددي الكبير للإشارة.

وهذا هو الحال بشكل خاص بالنسبة لـ “UMTS” مع عرض نطاق الإشارة الخاص به البالغ “5 ميجاهيرتز” أي عريض النطاق “CDMA” أو “WCDMA”، وبالنسبة للجيل الأول من هواتف “UMTS” سيكون مستقبل “RAKE” المشهور هو الهيكل المفضل لاكتشاف المستخدم الفردي الفعال والميسور التكلفة، كما يمكن اشتقاق بنية مستقبل “RAKE” مباشرة من نموذج القنوات متعدد المسارات.

ومن الناحية المثالية يتم تخصيص إصبع “RAKE” واحد لكل متعدد المسارات ممّا يزيد من كمية طاقة الإشارة المستقبلة، ومع ذلك فإنّ الشرط الأساسي هو أن يكون لدى “RAKE” معرفة مقابلة حول معلمات القناة الحالية مثل عدد المسارات وموقعها في مجال التأخير والتوهين الحالي ذو القيمة المعقدة.

تتمثل إحدى المهام الحاسمة في كل تنفيذ للمستقبل الرقمي في التزامن ممّا يعني تقدير معلمات القناة ذات الصلة وتعويضها، ويُطلق على مفهوم تقدير هذه المعلمات ثم استخدامها كما لو كانت القيم الحقيقية اسم الكشف المتزامن، ويتم استخدامه في كل تطبيق مستقبلي رقمي تقريباً في حالة “RAKE” يجب تقدير معلمات القناة الضرورية وتتبعها طوال عملية الإرسال.

• “ISI” هي اختصار لـ “Inter symbol interference”.

• “CDMA” هي اختصار لـ “Code-Division Multiple Access”.

• “UMTS” هي اختصار لـ “Universal Mobile Telecommunications System”.

• “BER” هي اختصار لـ “Bit error rate”.